JP4345179B2 - Magnetic field measuring device - Google Patents

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JP4345179B2
JP4345179B2 JP2000065854A JP2000065854A JP4345179B2 JP 4345179 B2 JP4345179 B2 JP 4345179B2 JP 2000065854 A JP2000065854 A JP 2000065854A JP 2000065854 A JP2000065854 A JP 2000065854A JP 4345179 B2 JP4345179 B2 JP 4345179B2
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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)の技術を応用し、磁気記録媒体や磁性膜などの表面近傍の局所的な磁界を測定する場合や、集積回路の微小配線の電流を測定する場合などに使用される磁界測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、磁気記録媒体や磁性膜などの表面近傍の局所的な磁界を高空間分解能で測定する手段として原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)の技術を発展させた磁気力顕微鏡(MFM:Magnetic Force Microscope)が実用化されている。
【0003】
一般的な磁気力顕微鏡は、カンチレバーの自由端に設けた磁性体チップを試料の表面近傍に配置させ、この磁性体チップに働く磁気力を検出することにより、試料の表面近傍の局所的な磁界を測定するというものであるが、磁性体チップは予め磁化したものを使用するとしている。
【0004】
そこで、一般的な磁気力顕微鏡では、磁界の検出感度を上げるために、カンチレバーを共振周波数付近で加振し、カンチレバーの振動の振幅や位相の変化を検出する方法をとっている。しかし、このようにすると、得られる結果が、磁界の勾配像となることや、磁性体チップの磁化方向により変わってしまうことから、測定結果の解釈が困難であるという問題点があった。
【0005】
このような問題点を解決する手法として、磁性体チップの磁化をコントロールすること、特に、変調することが考えられている。このように、磁性体チップの磁化を変調する手法を採用する場合には、試料からの磁界と磁性体チップとの相互作用を変調し、磁界の検出感度の向上を期待することができる。
【0006】
たとえば、アプライド・フィジックス・レターズ・第50巻(1987年)・第1455頁の論文や特開平5−203626号公報には、先端部を探針とするL字形の磁性体カンチレバーを設け、この磁性体カンチレバーの根元近傍にコイルを巻き、このコイルに流す電流を制御することにより、磁性体カンチレバーの先端部の磁化を制御する磁界測定装置が開示されている。
【0007】
また、特開平11−108941号公報には、カンチレバーの自由端に磁性体チップを形成すると共に、カンチレバーの磁性体チップ形成面に磁性体チップの根元が内側に位置するようなコイル部を有する導電路を形成し、この導電路に電流を流すことにより、導電路のコイル部から磁性体チップ付近に磁界を発生させて磁性体チップの磁化を制御する磁界測定装置が開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平5−203626号公報に開示の磁界測定装置のように、先端部を探針とするL字形の磁性体カンチレバーを設け、この磁性体カンチレバーの根元近傍にコイルを巻き、このコイルに流す電流を制御することにより先端部の磁化を制御するという構成では、先端部の磁化制御を効率良く行うことができないという問題点があった。
【0009】
また、特開平11−108941号公報に開示の磁界測定装置のように、磁性体チップの根元にコイル部を形成するという構成では、コイル部から発生した磁界が、磁性体チップ以外の部分でも試料からの磁界と相互作用してしまうため、測定の空間分解能を低下させてしまうという問題点があった。
【0010】
ここに、特開平11−166936号公報には、カンチレバーの先端にコイルを設け、このコイルが発生する磁界が磁性体チップの先端に集中し、他の部分に漏れないように工夫した磁界測定装置が開示されている。この磁界測定装置によれば、空間分解能の向上を図ることができるが、プローブの加工に非常に複雑な工程が必要であるという問題点があった。
【0011】
本発明は、かかる点に鑑み、カンチレバーの自由端に設けた磁性体チップの磁化変調を簡単な構成で行うことができ、しかも、試料の表面近傍の局所的な磁界の測定を高感度で行うことができるようにした磁界測定装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁界測定装置は、カンチレバーの自由端に磁化変調可能な磁性体チップを有し、試料に対する位置を相対的に可変可能とされたプローブと、前記磁性体チップの内部に前記カンチレバーの撓み方向に磁化を発生させることができるように前記プローブの外部に配置され、前記試料の表面近傍に配置させた前記磁性体チップに、前記磁性体チップの前記カンチレバーの撓み方向の端部間での磁界の空間変化が1%以下となる交流磁界を与えるコイルと、前記コイルに交流電流を供給して前記交流磁界を発生させる交流電源を有しているというものである。
【0013】
本発明によれば、プローブの外部に配置させたコイルにより、試料の表面近傍に配置させた磁性体チップに交流磁界を与えることができるので、磁性体チップに簡単な構成で磁化変調を起こさせることができると共に、コイルが発生する磁界と試料が発生する磁界との相互作用がカンチレバーの振動に何ら影響を与えないようにすることができる。また、コイルは磁性体チップに、磁性体チップのカンチレバーの撓み方向の端部間での磁界の空間変化が1%以下となる交流磁界を与えるものとしているので、コイルが発生する磁界と磁性体チップとの相互作用によるカンチレバーの振動を小さく抑えることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態の概念図である。図1中、1は試料、2は試料1を保持する試料台、3はプローブであり、プローブ3において、4はカンチレバー、5はカンチレバー4を支持するプローブ基板、6はカンチレバー4の自由端の下側に設けられた磁化変調可能である軟磁性体からなる磁性体チップである。
【0015】
また、7は3軸以上の移動機構を持ち、試料1とプローブ3の相対位置を変化させるために試料台2又はプローブ3を3軸方向以上に駆動可能とされた駆動装置であり、磁界測定時には、磁性体チップ6を試料1の表面近傍に位置させるように動作する。
【0016】
また、8は磁性体チップ6の内部に上下方向の磁化を発生させることができるようにプローブ3の外部に設けられたコイル、9はコイル8に交流電流を供給する交流電源であり、コイル8は、後述するように、内径が磁性体チップ6の大きさに比較して十分に大きく、コイル8が発生する磁界の磁性体チップ6付近における空間変化が非常に小さくなるようにしたものである。
【0017】
また、10はカンチレバー4の自由端の上下方向の撓みを検出する撓み検出器、11は撓み検出器10の出力信号の中から交流電源9の出力である交流電流に同期した成分を検出することにより、試料1の表面近傍の局所的な磁界を検出するロックイン検出器である。
【0018】
本発明の一実施形態は、駆動装置7により磁性体チップ6を試料1の表面近傍に位置させ、コイル8に交流電源9から交流電流を供給し、コイル8が発生する交流磁界により磁性体チップ6を磁化変調し、試料1が発生する磁界から磁性体チップ6が受ける磁気力を周期的に変化させてカンチレバー4の自由端を上下方向に振動させ、カンチレバー4の上下方向の振動を撓み検出器10で検出し、撓み検出器10の出力信号の中から交流電源9の出力である交流電流に同期した成分をロックイン検出器11で検出することにより、試料1の表面近傍の局所的な磁界を測定するというものである。
【0019】
なお、本発明の一実施形態においては、磁性体チップ6を試料1の表面近傍に位置決めし、走査型プローブ顕微鏡で一般的なように、磁性体チップ6を試料表面と接触させずに一定量浮かしたまま磁性体チップ6を試料表面に対して相対的に走査し、各点での磁界を測定する工程が実行されるが、磁性体チップ6の試料1の表面近傍への位置決めは、例えば、駆動装置7により試料台2又はプローブ3を駆動し、試料1と磁性体チップ6との距離を縮め、磁性体チップ6の先端を試料表面に接触させ、撓み検出器10により磁性体チップ6の先端が試料表面に接触したことを検出し、その後、試料1と磁性体チップ6との距離を一定量広げることにより行うことができる。
【0020】
また、本発明の一実施形態においては、磁性体チップ6の大きさに比べて、十分に大きな内径を持つコイル8により、ほぼ一様な磁界を磁性体チップ6付近に発生させ、磁性体チップ6を磁化変調するが、変調周波数f[Hz]は、磁性体チップ6の磁化がコイル8からの交流磁界に十分に追随できる範囲、かつ、カンチレバー4の機械的共振周波数以下とする。
【0021】
図2はコイル8が発生する交流磁界による磁性体チップ6の磁化状態を説明するための図であり、図2Aは磁性体チップ6に与えられる交流磁界12の向きが上向きの場合、図2Bは磁性体チップ6に与えられる交流磁界12の向きが下向きの場合を示している。
【0022】
図2Aに示すように、磁性体チップ6に与えられる交流磁界12の向きが上向きの場合には、磁性体チップ6の上端及び下端にはそれぞれ正磁荷13及び負磁荷14が発生し、磁性体チップ6は矢印15に示すように磁化され、この場合、たとえば、試料1から上向きの磁界16が与えられると、磁性体チップ6には下向きの磁気力17が発生し、カンチレバー4は下側に撓むことになる。
【0023】
これに対して、図2Bに示すように、磁性体チップ6に与えられる交流磁界12の向きが下向きの場合には、磁性体チップ6の上端及び下端にはそれぞれ負磁荷18及び正磁荷19が発生し、磁性体チップ6は矢印20に示すように磁化され、この場合、たとえば、試料1から上向きの磁界16が与えられると、磁性体チップ6には上向きの磁気力21が発生し、カンチレバー4は上側に撓むことになる。
【0024】
本発明の一実施形態においては、磁性体チップ6は、コイル8から与えられる交流磁界12により、図2Aに示す磁化状態と図2Bに示す磁化状態とを交互に取るように磁化変調されるので、磁性体チップ6が試料1の磁界から受ける磁気力が周波数fで変化し、カンチレバー4は、周波数fで振動することになる。そこで、本発明の一実施形態においては、カンチレバー4の上下方向の撓みを撓み検出器10で検出し、カンチレバー4の上下方向の振動の振幅及び位相をロックイン検出器11で検出するようにしている。
【0025】
ここに、カンチレバー4の上下方向の振動の振幅は、試料1が発生する試料1の表面近傍の磁界の試料表面に垂直な成分の大きさに比例するので、試料1が発生する試料1の表面近傍の垂直方向の磁界の大きさは、カンチレバー4の上下方向の振動の振幅を検出することで分かる。
【0026】
また、図2Aに示すように交流磁界12が上向きの時にカンチレバー4が下側に撓むという位相関係あるいは図2Bに示すように交流磁界が下向きの時にカンチレバー4が上側に撓むという位相関係があるならば、試料1の磁界が上向きであることが分かり、交流磁界が上向きの時にカンチレバー4が上側に撓むという位相関係あるいは交流磁界が下向きの時にカンチレバー4が下側に撓むという位相関係があるならば、試料1の磁界が下向きであることが分かる。
【0027】
なお、図2の例では、磁性体チップ6が受ける磁気力は、磁性体チップ6の下端の表面磁荷14、19が受けるものとしている。なぜなら、磁性体チップ6が試料1から受ける磁気力を磁性体チップ6の下端の表面磁荷14、19が受ける磁気力と、上端の表面磁荷13、18が受ける磁気力に分けて考えると、磁性体チップ6の上端は試料1の表面から遠いので、試料1からの磁界が弱まっていること、及び、試料1の表面の広い部分からの磁界を平均して受けるので、細かい構造をもっている場合には、それらが平均化されることから、磁性体チップ6の下端の表面磁荷14、19が受ける磁気力が支配的になるとみることができ、磁性体チップ6が受ける磁気力は、磁性体チップ6の下端の表面磁荷14、19が受けるものとしても問題はない。
【0028】
このように、本発明の一実施形態では、磁界変調と同期するカンチレバー4の振動を検出するとしているので、試料1からの磁界と無関係にコイル8からの交流磁界12によりカンチレバー4が振動することを避けなければならない。そのため、コイル8の内径を大きくし、磁性体チップ6の大きさの中でのコイル8による磁界の空間変化を小さくするようにしている。なぜなら、空間変化が小さいほど、コイル8の磁界により磁性体チップ6が受ける磁気力が減少するからである。
【0029】
そこで、コイル8が発生する磁界の空間的な一様性として、どの程度が必要となるかを考察する。磁性体チップ6の磁化は、コイル8からの磁界により起こり、試料1からの磁界による磁気力は下端の磁化mに作用し、上端の磁化−mへの磁気力は前述したように無視すると、コイル8からの磁界による磁気力は、下端の磁荷mと上端の磁荷−mへ、ほぼキャンセルするように働くが、空間的な変化分だけ、キャンセルされずに残ることになる。
【0030】
ここに、コイル8から磁性体チップ6に1mTの磁界を印加し、0.01mTの試料1の磁界を測定しようとする場合を考えると、試料1からの磁界による磁気力はm×0.01であり、コイル8からの磁界による磁気力はm×1×空間変化率となるので、この2つが同程度であるためには、磁性体チップ6の上端と下端でのコイル8の磁界の変化量は1%以下でなければならない。
【0031】
たとえば、コイル8の長さを2mm、磁性体チップ6の下端位置とコイル8の上端との距離を1mmとし、磁性体チップ6の大きさとしてコイル8の軸方向に50μmの大きさを仮定すると、コイル8の内径として10mm以上あれば、コイル8からの磁界の空間変化が1%以下となる。つまり、コイル8の内径として磁性体チップ6の大きさ、特に磁化方向の長さの200倍以上が必要となる。
【0032】
なお、コイル8からの磁界による磁気力は、自身で磁化したものに作用するので、コイル8からの磁界が反転すると磁性体チップ6の磁化も反転するので、カンチレバー4の振動周波数は、交流磁界の周波数の2倍(2f)となる。したがって、試料1からの磁界による振動(周波数f)と同程度の振動があっても、ロックイン検出することで影響は小さくなり、試料1からの磁界による振動の測定を高精度で行うことができる。
【0033】
上記では、コイル8からの磁界により振動する周波数2fのカンチレバー4の振動を考察したが、測定に対して影響するものとして、そのほかに磁性体チップ6の残留磁化の影響により生じる周波数fの振動というものがある。残留磁化といったが、地磁気など、環境に存在する磁界によって磁性体チップ6が磁化しているものと考えても良い。このような残留磁化が磁性体チップ6に存在すると、コイル8により交流磁界を印加した場合、残留磁化にコイル8からの僅かだが空間的に変化する磁界が作用してカンチレバー4に周波数fでの振動が生じてしまう。
【0034】
このような残留磁化によるカンチレバー4の振動を抑えるためには、図3に示すように、電流値を可変可能とした直流電流を出力する直流電源22を設け、この直流電源22からコイル8に直流電流を供給し、直流磁界を発生させることが効果的である。このような直流磁界により残留磁化をキャンセルすることができるからである。
【0035】
具体的には、試料1からの磁界が存在しない位置に磁性体チップ6を移動し、コイル8に対して交流電源9からの交流電流と直流電源22からの直流電流を供給し、ロックイン検出値がゼロに近くなるように、すなわち、カンチレバー4の振動が最も小さくなるように、直流電源22から出力される直流電流の値を調整して固定する。
【0036】
また、本発明の一実施形態は、磁気記録媒体や磁性膜などの表面近傍の局所的な磁界を測定する場合のほか、集積回路の微小配線の電流を測定する場合にも使用することができる。図4は本発明の一実施形態を使用して集積回路の配線に流れる電流を測定する方法を説明するための図であり、図4中、23は集積回路、24は配線である。
【0037】
本発明の一実施形態を使用して集積回路23の配線24に流れる電流を測定する場合には、配線24の上方で配線24を横切るように磁性体チップ6を走査し、配線24に流れる電流により発生する磁界を検出してロックイン検出値を測定する。このようにすると、たとえば、図5のようなグラフを得ることができる。縦軸は検出した磁界強度を示し、位相が反転した場合にマイナスとして表している。また、横軸は磁性体チップ6の走査方向の位置を示し、配線24を横切る線上で、検出した磁界強度がゼロ付近に配線24があることが分かる。そして、同図に示した磁界強度の変化量25が配線24の電流値に比例することが確かめられているので、この変化量25から配線24の電流値を算出することができる。
【0038】
図6は本発明の一実施形態の第1具体例を示す図であり、コイル8の形状と試料位置26を図示し、その他の部分は図示を省略している。この例では、コイル8は、内径を50mmとし、長さを10mmとし、試料位置26は、コイル8の軸上で、コイル8の端からの距離が15mmの位置としている。このようにすると、試料位置26で軸上10μm離れた位置での交流磁界の空間変化を0.1%以下とすることができ、10μm程度の大きさの磁性体チップ6を使用する場合に適したものとなる。
【0039】
なお、コイル8が発生する交流磁界の空間変化をより小さくするには、試料位置26をコイル8の内部の中心付近に設定するほうが有利であるが、コイル8の内部に試料位置26を設定すると、試料1の大きさが制限されることから、本発明の一実施形態においては、試料位置26をコイル8の外部としている。また、コイル8の内径は、磁性体チップ6の大きさの5000倍と非常に大きいが、これは空間的な一様性だけでなく、15mm程度離れた位置に小電流で磁界を印加するには、コイル8が大きい方が適しているからである。
【0040】
図7は本発明の一実施形態の第2具体例を示す図であり、本発明の一実施形態の第2具体例においては、試料台2として、透磁率の低い非磁性材質からなるものが使用され、コイル8は試料台2の下部に配置するようにされている。また、駆動装置7として、ピエゾ素子を用いた3軸ステージ27が使用され、プローブ3は、3軸ステージ27の先に固定されており、試料1に対して3軸方向に移動できるようにされている。
【0041】
また、撓み検出器10は、光テコの原理を利用するために、半導体レーザ28と2分割受光器29とで構成されており、半導体レーザ28からカンチレバー4に照射したレーザ光の反射光を2分割受光器29で受けて、2分割受光器29上での反射光の位置を出力するとしている。また、30は支持体であり、コイル8や試料台2の支柱31などは支持体30に固定されている。なお、ロックイン検出器11や交流電源9などは図示を省略している。
【0042】
図8は本発明の一実施形態の第3具体例を示す図である。図8中、32は駆動装置7をなすピエゾ素子を用いた3軸ステージであり、試料台2は3軸ステージ32の上に乗っており、3軸ステージ32は支持体33に固定されている。また、コイル8は、試料1の上方に配置され、支持体33に固定部34を介して固定されており、プローブ3は、コイル8の内部を貫いている支持体33の先端に固定されている。なお、撓み検出器10やロックイン検出器11や交流電源9などは図示を省略している。
【0043】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、プローブ3の外部に配置させたコイル8により、試料1の表面近傍に配置させた磁性体チップ6に交流磁界を与えることができるので、カンチレバー4の自由端に形成された磁性体チップ6に簡単な構成で磁化変調を起こさせることができると共に、コイル8が発生する磁界と試料1が発生する磁界との相互作用がカンチレバー4の振動に何ら影響を与えないようにすることができる。また、コイル8による交流磁界の磁性体チップ6付近の空間変化が小さくなるようにしているので、コイル8が発生する交流磁界と磁性体チップ6との相互作用によるカンチレバー4の振動を無視することができる程度に小さくすることができる。
【0044】
したがって、特開平11−166936号公報に開示の磁界測定装置が備えるような複雑な構成のプローブを用意しなくとも、カンチレバー4の自由端に設けた磁性体チップ6の磁化変調を簡単な構成で行うことができ、しかも、試料1の表面近傍の局所的な磁界測定を高感度で行うことができる。
【0045】
なお、本発明と類似の形態をしているものに、特開平11−142105号公報に開示のプローブ顕微鏡がある。このプローブ顕微鏡は、磁界測定を目的としていないが、磁性体チップを有するカンチレバーと、プローブの外部に配置されたコイルを備え、このコイルに交流電流を流すことが記されている。しかし、このプローブ顕微鏡は、コイルは本発明とは逆に積極的にカンチレバーを振動するためにコイルを使用するものであり、形状もそれに適したもの、すなわち、磁性体チップ付近の空間変化を大きくするものであるはずであり、本発明とは本質的に異なるものである。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プローブの外部に配置させたコイルにより、試料の表面近傍に配置させた磁性体チップに空間変化の小さい交流磁界を与えることができる構成としたことにより、カンチレバーの自由端に形成された磁性体チップに簡単な構成で磁化変調を起こさせることができ、しかも、試料の表面近傍の局所的な磁界の測定を高感度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の概念図である。
【図2】本発明の一実施形態において、コイルが発生する交流磁界による磁性体チップの磁化状態を説明するための図である。
【図3】本発明の一実施形態の変形例を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態を使用して集積回路の配線に流れる電流を測定する方法を説明するための図である。
【図5】本発明の一実施形態を使用して集積回路の配線に流れる電流を測定する方法を説明するための図である。
【図6】本発明の一実施形態の第1具体例を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態の第2具体例を示す図である。
【図8】本発明の一実施形態の第3具体例を示す図である。
【符号の説明】
1 試料
2 試料台
3 プローブ
4 カンチレバー
5 プローブ基板
6 磁性体チップ
7 駆動装置
8 コイル
9 交流電源
10 撓み検出器
11 ロックイン検出器
12 交流磁界
13 正磁荷
14 負磁荷
15 磁化の方向
16 磁界
17 磁気力
18 負磁荷
19 正磁荷
20 磁化の方向
21 磁気力
22 直流電源
23 集積回路
24 配線
25 磁界強度の変化量
26 試料位置
27 3軸ステージ
28 半導体レーザ
29 2分割受光器
30 支持体
31 支柱
32 3軸ステージ
33 支持体
34 固定部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention applies a scanning probe microscope (SPM) technique to measure a local magnetic field near the surface of a magnetic recording medium, a magnetic film, etc. The present invention relates to a magnetic field measuring apparatus used for measurement.
[0002]
[Prior art]
For example, a magnetic force microscope (MFM) that has developed an atomic force microscope (AFM) technique as a means for measuring a local magnetic field near the surface of a magnetic recording medium or a magnetic film with high spatial resolution. Force Microscope) has been put into practical use.
[0003]
In a general magnetic force microscope, a magnetic chip provided at the free end of a cantilever is arranged near the surface of the sample, and the magnetic force acting on the magnetic chip is detected to detect a local magnetic field near the surface of the sample. However, it is assumed that a magnetic chip that has been previously magnetized is used.
[0004]
Therefore, in general magnetic force microscopes, in order to increase the detection sensitivity of the magnetic field, the cantilever is vibrated in the vicinity of the resonance frequency, and a change in amplitude and phase of the cantilever vibration is detected. However, in this case, the obtained result becomes a gradient image of the magnetic field and changes depending on the magnetization direction of the magnetic chip, so that there is a problem that it is difficult to interpret the measurement result.
[0005]
As a technique for solving such a problem, it is considered to control the magnetization of the magnetic chip, particularly to modulate it. As described above, when the method of modulating the magnetization of the magnetic chip is employed, the interaction between the magnetic field from the sample and the magnetic chip can be modulated, and an improvement in detection sensitivity of the magnetic field can be expected.
[0006]
For example, Applied Physics Letters, Volume 50 (1987), page 1455 and Japanese Patent Laid-Open No. 5-203626 are provided with an L-shaped magnetic cantilever having a tip as a probe. A magnetic field measuring device is disclosed in which a coil is wound near the base of a body cantilever and the current flowing through the coil is controlled to control the magnetization of the tip of the magnetic cantilever.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-108941 discloses a conductive chip having a magnetic chip formed at the free end of a cantilever and a coil portion on the magnetic chip forming surface of the cantilever where the base of the magnetic chip is positioned inside. There is disclosed a magnetic field measuring apparatus that controls the magnetization of a magnetic chip by forming a path and causing a current to flow through the conductive path to generate a magnetic field in the vicinity of the magnetic chip from the coil portion of the conductive path.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, like the magnetic field measuring device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-203626, an L-shaped magnetic cantilever having a tip as a probe is provided, and a coil is wound around the base of the magnetic cantilever. In the configuration in which the magnetization of the tip portion is controlled by controlling the flowing current, there is a problem that the magnetization control of the tip portion cannot be performed efficiently.
[0009]
Further, in the configuration in which the coil part is formed at the base of the magnetic chip as in the magnetic field measuring device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-108941, the magnetic field generated from the coil part is sampled even in parts other than the magnetic chip. In this case, the spatial resolution of the measurement is lowered.
[0010]
JP-A-11-166936 discloses a magnetic field measuring apparatus in which a coil is provided at the tip of a cantilever and the magnetic field generated by the coil is concentrated on the tip of the magnetic chip and does not leak to other parts. Is disclosed. According to this magnetic field measuring apparatus, although the spatial resolution can be improved, there is a problem that a very complicated process is required for processing the probe.
[0011]
In view of this point, the present invention can perform magnetic modulation of the magnetic chip provided at the free end of the cantilever with a simple configuration, and can measure a local magnetic field near the surface of the sample with high sensitivity. It is an object of the present invention to provide a magnetic field measuring apparatus that can be used.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The magnetic field measuring apparatus of the present invention has a magnetic tip capable of magnetization modulation at the free end of a cantilever, and a probe whose position relative to a sample can be relatively changed, and the bending of the cantilever inside the magnetic tip. it is arranged outside of the probe so as to be able to generate a magnetized direction, the magnetic material chip which is disposed in the vicinity of the surface of the sample, between the deflection direction of the end portion of the cantilever of the magnetic material chip a coil providing an alternating magnetic field spatial variation of the magnetic field of 1% or less, is that by supplying an alternating current to said coil has an AC power source for generating the alternating magnetic field.
[0013]
According to the present invention, an AC magnetic field can be applied to the magnetic chip disposed near the surface of the sample by the coil disposed outside the probe, so that the magnetic chip is caused to undergo magnetization modulation with a simple configuration. In addition, the interaction between the magnetic field generated by the coil and the magnetic field generated by the sample can be prevented from affecting the vibration of the cantilever. Further, since the coil gives the magnetic chip an alternating magnetic field in which the spatial change of the magnetic field between the ends of the cantilever of the magnetic chip is 1% or less, the magnetic field generated by the coil and the magnetic substance Cantilever vibration due to the interaction with the tip can be kept small.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a sample, 2 is a sample stage for holding the sample 1, 3 is a probe, and in the probe 3, 4 is a cantilever, 5 is a probe substrate for supporting the cantilever 4, and 6 is a free end of the cantilever 4. It is a magnetic chip made of a soft magnetic material that is provided on the lower side and is capable of magnetization modulation.
[0015]
Reference numeral 7 denotes a driving device having a moving mechanism of three or more axes and capable of driving the sample stage 2 or the probe 3 in three or more directions in order to change the relative position of the sample 1 and the probe 3. Sometimes, the magnetic chip 6 is operated so as to be positioned near the surface of the sample 1.
[0016]
Reference numeral 8 denotes a coil provided outside the probe 3 so that vertical magnetization can be generated inside the magnetic chip 6, and 9 denotes an AC power source for supplying an AC current to the coil 8. As described later, the inner diameter is sufficiently larger than the size of the magnetic chip 6 so that the spatial change of the magnetic field generated by the coil 8 in the vicinity of the magnetic chip 6 becomes very small. .
[0017]
Further, 10 is a deflection detector for detecting the vertical deflection of the free end of the cantilever 4, and 11 is for detecting a component synchronized with the alternating current output from the AC power supply 9 from the output signal of the deflection detector 10. Thus, the lock-in detector detects a local magnetic field in the vicinity of the surface of the sample 1.
[0018]
In one embodiment of the present invention, the magnetic chip 6 is positioned near the surface of the sample 1 by the driving device 7, an alternating current is supplied from the alternating current power source 9 to the coil 8, and the magnetic chip is generated by the alternating magnetic field generated by the coil 8. 6 is subjected to magnetization modulation, the magnetic force received by the magnetic chip 6 from the magnetic field generated by the sample 1 is periodically changed to vibrate the free end of the cantilever 4 in the vertical direction, and the vertical vibration of the cantilever 4 is detected by bending. The lock-in detector 11 detects a component that is detected by the detector 10 and that is synchronized with the AC current that is the output of the AC power supply 9 from the output signal of the deflection detector 10. It measures the magnetic field.
[0019]
In one embodiment of the present invention, the magnetic chip 6 is positioned in the vicinity of the surface of the sample 1 and, as is common in a scanning probe microscope, the magnetic chip 6 is not brought into contact with the sample surface and a certain amount. The step of scanning the magnetic chip 6 relative to the sample surface while being floated and measuring the magnetic field at each point is executed. The positioning of the magnetic chip 6 near the surface of the sample 1 is, for example, The sample table 2 or the probe 3 is driven by the driving device 7 to reduce the distance between the sample 1 and the magnetic chip 6, the tip of the magnetic chip 6 is brought into contact with the sample surface, and the magnetic chip 6 is detected by the deflection detector 10. It can be performed by detecting that the tip of the sample contacts the surface of the sample, and then increasing the distance between the sample 1 and the magnetic chip 6 by a certain amount.
[0020]
In one embodiment of the present invention, a substantially uniform magnetic field is generated in the vicinity of the magnetic chip 6 by the coil 8 having a sufficiently large inner diameter as compared with the size of the magnetic chip 6. 6 is subjected to magnetization modulation, and the modulation frequency f [Hz] is set in a range in which the magnetization of the magnetic chip 6 can sufficiently follow the AC magnetic field from the coil 8 and not more than the mechanical resonance frequency of the cantilever 4.
[0021]
FIG. 2 is a diagram for explaining the magnetization state of the magnetic chip 6 due to the alternating magnetic field generated by the coil 8. FIG. 2A shows the case where the direction of the alternating magnetic field 12 applied to the magnetic chip 6 is upward, and FIG. The case where the direction of the alternating magnetic field 12 given to the magnetic chip 6 is downward is shown.
[0022]
As shown in FIG. 2A, when the direction of the alternating magnetic field 12 applied to the magnetic chip 6 is upward, a positive magnetic charge 13 and a negative magnetic charge 14 are generated at the upper and lower ends of the magnetic chip 6, respectively. The magnetic chip 6 is magnetized as indicated by an arrow 15. In this case, for example, when an upward magnetic field 16 is applied from the sample 1, a downward magnetic force 17 is generated on the magnetic chip 6, and the cantilever 4 is moved downward. Will bend to the side.
[0023]
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the direction of the AC magnetic field 12 applied to the magnetic chip 6 is downward, the negative magnetic charge 18 and the positive magnetic charge are respectively provided at the upper end and the lower end of the magnetic chip 6. 19 is generated, and the magnetic chip 6 is magnetized as indicated by an arrow 20. In this case, for example, when an upward magnetic field 16 is applied from the sample 1, an upward magnetic force 21 is generated in the magnetic chip 6. The cantilever 4 is bent upward.
[0024]
In one embodiment of the present invention, the magnetic chip 6 is magnetically modulated by the alternating magnetic field 12 applied from the coil 8 so as to alternately take the magnetization state shown in FIG. 2A and the magnetization state shown in FIG. 2B. The magnetic force that the magnetic chip 6 receives from the magnetic field of the sample 1 changes at the frequency f, and the cantilever 4 vibrates at the frequency f. Therefore, in one embodiment of the present invention, the vertical deflection of the cantilever 4 is detected by the deflection detector 10 and the amplitude and phase of the vertical vibration of the cantilever 4 is detected by the lock-in detector 11. Yes.
[0025]
Here, since the amplitude of the vertical vibration of the cantilever 4 is proportional to the magnitude of the component perpendicular to the sample surface of the magnetic field in the vicinity of the surface of the sample 1 where the sample 1 is generated, the surface of the sample 1 where the sample 1 is generated The magnitude of the nearby vertical magnetic field can be determined by detecting the amplitude of the vertical vibration of the cantilever 4.
[0026]
2A, the cantilever 4 bends downward when the alternating magnetic field 12 is upward, or the cantilever 4 bends upward when the alternating magnetic field is downward as shown in FIG. 2B. If there is, it can be seen that the magnetic field of the sample 1 is upward, and the phase relationship that the cantilever 4 bends upward when the alternating magnetic field is upward, or the phase relationship that the cantilever 4 bends downward when the alternating magnetic field is downward. If there is, it can be seen that the magnetic field of the sample 1 is downward.
[0027]
In the example of FIG. 2, the magnetic force received by the magnetic chip 6 is received by the surface magnetic charges 14 and 19 at the lower end of the magnetic chip 6. This is because the magnetic force received by the magnetic chip 6 from the sample 1 is divided into the magnetic force received by the surface magnetic charges 14 and 19 at the lower end of the magnetic chip 6 and the magnetic force received by the upper surface magnetic charges 13 and 18. Since the upper end of the magnetic chip 6 is far from the surface of the sample 1, the magnetic field from the sample 1 is weakened and the magnetic field from a wide portion of the surface of the sample 1 is averaged, so that it has a fine structure. In this case, since they are averaged, it can be considered that the magnetic force received by the surface magnetic charges 14 and 19 at the lower end of the magnetic chip 6 is dominant, and the magnetic force received by the magnetic chip 6 is There is no problem even if the surface magnetic charges 14 and 19 at the lower end of the magnetic chip 6 receive.
[0028]
Thus, in one embodiment of the present invention, the vibration of the cantilever 4 synchronized with the magnetic field modulation is detected, so that the cantilever 4 is vibrated by the AC magnetic field 12 from the coil 8 regardless of the magnetic field from the sample 1. Must be avoided. Therefore, the inner diameter of the coil 8 is increased, and the spatial change of the magnetic field due to the coil 8 in the size of the magnetic chip 6 is reduced. This is because as the spatial change is smaller, the magnetic force received by the magnetic chip 6 by the magnetic field of the coil 8 decreases.
[0029]
Therefore, the degree to which the spatial uniformity of the magnetic field generated by the coil 8 is necessary will be considered. The magnetization of the magnetic chip 6 is caused by the magnetic field from the coil 8, the magnetic force due to the magnetic field from the sample 1 acts on the magnetization m at the lower end, and the magnetic force on the magnetization -m at the upper end is ignored as described above. The magnetic force generated by the magnetic field from the coil 8 works so as to cancel the magnetic charge m at the lower end and the magnetic charge −m at the upper end, but it remains without being canceled by a spatial change.
[0030]
Considering the case where a magnetic field of 1 mT is applied from the coil 8 to the magnetic chip 6 and the magnetic field of the sample 1 of 0.01 mT is measured, the magnetic force due to the magnetic field from the sample 1 is mx 0.01. Since the magnetic force due to the magnetic field from the coil 8 is m × 1 × space change rate, in order for these two to be comparable, the change in the magnetic field of the coil 8 at the upper and lower ends of the magnetic chip 6 The amount must be 1% or less.
[0031]
For example, assuming that the length of the coil 8 is 2 mm, the distance between the lower end position of the magnetic chip 6 and the upper end of the coil 8 is 1 mm, and the size of the magnetic chip 6 is 50 μm in the axial direction of the coil 8. If the inner diameter of the coil 8 is 10 mm or more, the spatial change of the magnetic field from the coil 8 is 1% or less. That is, the inner diameter of the coil 8 needs to be 200 times or more the size of the magnetic chip 6, particularly the length in the magnetization direction.
[0032]
In addition, since the magnetic force by the magnetic field from the coil 8 acts on what is magnetized by itself, when the magnetic field from the coil 8 is reversed, the magnetization of the magnetic chip 6 is also reversed. Therefore, the vibration frequency of the cantilever 4 is an AC magnetic field. Twice the frequency (2f). Therefore, even if there is a vibration equivalent to the vibration (frequency f) due to the magnetic field from the sample 1, the influence is reduced by detecting lock-in, and the vibration due to the magnetic field from the sample 1 can be measured with high accuracy. it can.
[0033]
In the above description, the vibration of the cantilever 4 having the frequency 2f that is vibrated by the magnetic field from the coil 8 has been considered. However, the vibration having the frequency f caused by the residual magnetization of the magnetic chip 6 is also considered as an influence on the measurement. There is something. Although it is called residual magnetization, it may be considered that the magnetic chip 6 is magnetized by a magnetic field existing in the environment such as geomagnetism. If such residual magnetization exists in the magnetic chip 6, when an AC magnetic field is applied by the coil 8, a slight but spatially changing magnetic field from the coil 8 acts on the residual magnetization, and the cantilever 4 has a frequency f. Vibration will occur.
[0034]
In order to suppress the vibration of the cantilever 4 due to such residual magnetization, as shown in FIG. 3, a DC power source 22 that outputs a DC current with a variable current value is provided, and a DC current is supplied from the DC power source 22 to the coil 8. It is effective to supply a current and generate a DC magnetic field. This is because the residual magnetization can be canceled by such a DC magnetic field.
[0035]
Specifically, the magnetic chip 6 is moved to a position where the magnetic field from the sample 1 does not exist, the alternating current from the alternating current power source 9 and the direct current from the direct current power source 22 are supplied to the coil 8 to detect lock-in. The value of the direct current output from the direct current power source 22 is adjusted and fixed so that the value is close to zero, that is, the vibration of the cantilever 4 is minimized.
[0036]
The embodiment of the present invention can be used not only when measuring a local magnetic field in the vicinity of the surface of a magnetic recording medium or a magnetic film, but also when measuring a current of a minute wiring of an integrated circuit. . FIG. 4 is a diagram for explaining a method of measuring a current flowing through a wiring of an integrated circuit using one embodiment of the present invention. In FIG. 4, 23 is an integrated circuit, and 24 is a wiring.
[0037]
When the current flowing through the wiring 24 of the integrated circuit 23 is measured using the embodiment of the present invention, the magnetic chip 6 is scanned across the wiring 24 above the wiring 24 and the current flowing through the wiring 24 is measured. The lock-in detection value is measured by detecting the magnetic field generated by. In this way, for example, a graph as shown in FIG. 5 can be obtained. The vertical axis indicates the detected magnetic field intensity, and is expressed as negative when the phase is inverted. Further, the horizontal axis indicates the position of the magnetic chip 6 in the scanning direction, and it can be seen that the wiring 24 is located near the zero detected magnetic field intensity on the line crossing the wiring 24. Since it has been confirmed that the change amount 25 of the magnetic field intensity shown in the figure is proportional to the current value of the wiring 24, the current value of the wiring 24 can be calculated from the change amount 25.
[0038]
FIG. 6 is a view showing a first specific example of one embodiment of the present invention, in which the shape of the coil 8 and the sample position 26 are shown, and the other portions are not shown. In this example, the coil 8 has an inner diameter of 50 mm and a length of 10 mm, and the sample position 26 is located on the axis of the coil 8 at a distance of 15 mm from the end of the coil 8. In this way, the spatial change of the alternating magnetic field at a position 10 μm apart on the axis at the sample position 26 can be reduced to 0.1% or less, which is suitable when a magnetic chip 6 having a size of about 10 μm is used. It will be.
[0039]
In order to further reduce the spatial change of the alternating magnetic field generated by the coil 8, it is advantageous to set the sample position 26 near the center inside the coil 8. However, if the sample position 26 is set inside the coil 8, Since the size of the sample 1 is limited, in one embodiment of the present invention, the sample position 26 is outside the coil 8. In addition, the inner diameter of the coil 8 is very large, 5000 times the size of the magnetic chip 6, but this is not only for spatial uniformity, but also for applying a magnetic field to a position about 15 mm away with a small current. This is because a larger coil 8 is more suitable.
[0040]
FIG. 7 is a diagram showing a second specific example of one embodiment of the present invention. In the second specific example of one embodiment of the present invention, the sample stage 2 is made of a nonmagnetic material having a low magnetic permeability. Used, the coil 8 is arranged at the lower part of the sample stage 2. Further, a triaxial stage 27 using a piezo element is used as the driving device 7, and the probe 3 is fixed to the tip of the triaxial stage 27 so that it can move in the triaxial direction with respect to the sample 1. ing.
[0041]
In addition, the deflection detector 10 includes a semiconductor laser 28 and a two-divided light receiver 29 in order to use the principle of optical lever, and the reflected light of the laser light irradiated to the cantilever 4 from the semiconductor laser 28 is 2 It is assumed that the position of the reflected light received by the split light receiver 29 and reflected on the split light receiver 29 is output. Reference numeral 30 denotes a support, and the coil 8 and the column 31 of the sample table 2 are fixed to the support 30. The lock-in detector 11 and the AC power source 9 are not shown.
[0042]
FIG. 8 is a diagram showing a third specific example of an embodiment of the present invention. In FIG. 8, reference numeral 32 denotes a triaxial stage using a piezo element forming the driving device 7, the sample stage 2 is on the triaxial stage 32, and the triaxial stage 32 is fixed to the support 33. . The coil 8 is disposed above the sample 1 and is fixed to the support 33 via the fixing portion 34, and the probe 3 is fixed to the tip of the support 33 that penetrates the inside of the coil 8. Yes. The deflection detector 10, the lock-in detector 11, the AC power source 9, and the like are not shown.
[0043]
As described above, according to an embodiment of the present invention, an AC magnetic field can be applied to the magnetic chip 6 disposed near the surface of the sample 1 by the coil 8 disposed outside the probe 3. The magnetic chip 6 formed at the free end of the cantilever 4 can be subjected to magnetization modulation with a simple configuration, and the interaction between the magnetic field generated by the coil 8 and the magnetic field generated by the sample 1 is the vibration of the cantilever 4. Can be prevented from affecting anything. Further, since the spatial change in the vicinity of the magnetic chip 6 of the AC magnetic field by the coil 8 is made small, the vibration of the cantilever 4 due to the interaction between the AC magnetic field generated by the coil 8 and the magnetic chip 6 should be ignored. Can be made as small as possible.
[0044]
Therefore, the magnetic modulation of the magnetic chip 6 provided at the free end of the cantilever 4 can be performed with a simple configuration without preparing a probe having a complicated configuration as provided in the magnetic field measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-166936. Moreover, local magnetic field measurement in the vicinity of the surface of the sample 1 can be performed with high sensitivity.
[0045]
Incidentally, a probe microscope disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-142105 is similar to the present invention. Although this probe microscope is not intended for magnetic field measurement, it is described that the probe microscope includes a cantilever having a magnetic chip and a coil arranged outside the probe, and an alternating current flows through the coil. However, this probe microscope uses a coil to vibrate the cantilever positively, contrary to the present invention, and the shape is also suitable for it, that is, the spatial change near the magnetic chip is greatly increased. This is to be done and is essentially different from the present invention.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the coil disposed outside the probe can be configured to apply an alternating magnetic field with small spatial change to the magnetic chip disposed near the surface of the sample. Magnetization modulation can be caused with a simple configuration on the magnetic chip formed at the free end of the cantilever, and a local magnetic field in the vicinity of the surface of the sample can be measured with high sensitivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a magnetization state of a magnetic chip by an alternating magnetic field generated by a coil in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a modification of one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a method for measuring a current flowing through a wiring of an integrated circuit using an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of measuring a current flowing through a wiring of an integrated circuit using an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a first specific example of an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a second specific example of an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a third specific example of an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sample 2 Sample stand 3 Probe 4 Cantilever 5 Probe board 6 Magnetic chip 7 Driving device 8 Coil 9 AC power supply 10 Deflection detector 11 Lock-in detector 12 AC magnetic field 13 Positive magnetic charge 14 Negative magnetic charge 15 Direction of magnetization 16 Magnetic field 17 Magnetic force 18 Negative magnetic charge 19 Positive magnetic charge 20 Direction of magnetization 21 Magnetic force 22 DC power supply 23 Integrated circuit 24 Wiring 25 Magnetic field strength change 26 Sample position 27 Triaxial stage 28 Semiconductor laser 29 Two-divided light receiver 30 Support 31 support 32 triaxial stage 33 support 34 fixing part

Claims (2)

カンチレバーの自由端に磁化変調可能な磁性体チップを有し、試料に対する位置を相対的に可変可能とされたプローブと、
前記磁性体チップの内部に前記カンチレバーの撓み方向に磁化を発生させることができるように前記プローブの外部に配置され、前記試料の表面近傍に配置させた前記磁性体チップに、前記磁性体チップの前記カンチレバーの撓み方向の端部間での磁界の空間変化が1%以下となる交流磁界を与えるコイルと、
前記コイルに交流電流を供給して前記交流磁界を発生させる交流電源を有していることを特徴とする磁界測定装置。
A probe having a magnetic material chip that can modulate magnetization at the free end of the cantilever, and the position of the probe relative to the sample can be changed relatively;
The magnetic chip is arranged outside the probe so that magnetization can be generated in the bending direction of the cantilever inside the magnetic chip, and the magnetic chip is arranged near the surface of the sample . A coil for applying an alternating magnetic field in which the spatial change of the magnetic field between the ends in the bending direction of the cantilever is 1% or less ;
A magnetic field measuring apparatus having an AC power source for supplying an AC current to the coil to generate the AC magnetic field.
前記コイルに電流値を可変可能とした直流電流を供給する直流電源を有していることを特徴とする請求項1記載の磁界測定装置。  The magnetic field measuring apparatus according to claim 1, further comprising a DC power source that supplies a DC current whose current value is variable to the coil.
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